以多元化的物理情境教學發展學生的科學思維

尤飛鵬

摘 ? 要：發展學生的科學思維是物理教學的重要目標之一。文章從情境創設的角度，以“物理學史、模型建構、科學實驗、生活實踐”為載體，結合教學實例，闡述在高中物理教學中如何多維度地發展學生的科學思維。

關鍵詞：物理情境；情境教學；科學思維

科學思維作為高中物理學科核心素養的主要內容，是形成物理觀念的重要途徑。物理學中的一些重要概念、規律，如相互作用與運動定律、機械能守恒定律等都是科學思維的產物。科學思維貫穿于科學探究的一般過程，是科學探究的重要組成部分。在科學探究的過程中，需要比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、批判性思維等多種思維方法。因此，發展學生的科學思維是物理教學的重要目標之一。從物理學史、模型建構、科學實驗、生活實踐等方面為載體創設物理教學情境，可引導學生運用科學思維方法探討、闡釋物理現象及規律，解決實際問題，從而發展學生的科學思維素養。

1 ?以物理學史為載體，發展質疑創新思維

物理學史通常是物理科學發展過程中里程碑式的研究成果，不僅敘述著科學家的探究故事，還蘊含著豐富的科學知識、嚴密的科學思維、求真的探索精神和嚴謹的科學態度。縱觀物理科學史的發展過程，它并不是一帆風順的，而是一個在繼承中不斷修正和完善的過程。每個科學家研究的著力點往往是針對前人研究成果的可疑之處進行深入分析得出來的。因此，以物理學史創設教學情境，可引導學生沿著科學家的足跡層層深入科學探究過程，品悟科學的開放修正性，從而發展學生質疑創新等思維品質。

“人類對太空的不懈探索”這節的教材內容是按照歷史時間為序展開，介紹了牛頓發現萬有引力定律的歷史背景，展示了人類探索太空的曲折與艱辛。在進行教學時，教師重在對托勒密“地心說”、哥白尼“日心說”、第谷的精確觀測、開普勒的嚴密計算和三定律、牛頓“萬有引力定律的發現”等素材進行科學思維上的引導創設。教師通過引導學生對科學家研究結果的分析，進一步設問，并以此為新的問題情境，激發學生進行下一步的探究。問題情境如下：托勒密“地心說”的主要觀點是什么？宇宙的中心真的是地球嗎？“日心說”與“地心說”爭論的焦點是什么？第谷通過精確觀測發現了什么問題？開普勒的嚴密計算對哥白尼的理論產生了什么樣的挑戰？牛頓能夠建立萬有引力定律的原因是什么？這些問題環環相扣，有利于引導學生追尋新知識的生成，提升學生的質疑創新能力。

從本課例的史實可以看出，每個科學家的研究都會受到身處時代背景的影響，每個研究成果都有一定的局限性，科學的進步離不開科學家們的質疑創新思維。物理學史是高中物理學的重要內容，無論是機械能、萬有引力、電磁場，還是光的折射等學習內容都離不開物理學史。教師不應視而不見或將這些史料當作小故事，而應在科學史情境教學中深度挖掘物理科學史的教育價值。以科學史為載體的情境化教學，要求教師對科學史實材料有準確的把握，對蘊含其中的科學思維有深入的挖掘，以發展學生的科學思維品質，特別是批判性思維。

2 ?以模型建構為載體，強化抽象概括能力

物理模型介于客觀物質世界和物理概念、物理規律之間，是對自然現象的高度概括。模型建構過程是指將客觀物質世界中較復雜的物理對象和過程用一定的思維形式構建成物理模型，使物理現象和規律簡單化、具體化，幫助學生理解物理概念和物理規律，從而解決實際問題的過程[ 1 ]。在物理教學中，創設模型情境有助力于培養學生的模型思維，發展抽象概括等科學思維能力。也有助于學生在遇到陌生情境時，能從原始問題抽取核心要素，建構恰當的模型，結合所學知識，創造性地解決問題。

“自由落體”一節的教學，教師以紙團和硬幣兩種不同質量的物體自由下落運動創設情境，讓學生觀察物體下落的情況，并思考問題：在正常情況下，不同物體下落規律是否一樣？在忽略空氣阻力的情況下，不同物體下落規律會出現什么樣的變化？落體運動遵循怎樣的規律？通過問題的解決，進而引導學生將具體的物理過程抽象出來，簡化為自由落體運動的模型，并提煉自由落體運動的概念。自由落體運動模型建構的關鍵在于通過實驗引發學生認知沖突，從而修正“重物體落得快、輕物體落得慢”的前概念。教學過程中，學生經歷將物體下落的復雜情境抽象概括為簡單的理想模型的思維過程，不僅對自由落體運動的內涵有一定的認知，而且體會建構物理模型的思維方式。

建模方法在解決物理實際問題中具有普適性和“四兩撥千斤”的作用，無論是從動量的角度、能量的角度還是力的角度研究問題都可以通過建構模型來解決。因此，發展學生的建構思想顯得至關重要。模型情境教學流程一般包括：創設問題情境、構建物理模型、探究理論知識、總結物理規律或物理概念、解決實際問題。由復雜的原始物理問題簡化成物理模型的過程是發展學生模型思維的關鍵，教師應在問題創設上多下功夫，有針對性地引導學生思維的轉化。

3 ?以科學實驗為載體，體悟科學實證思想

物理學科的發展離不開科學實驗，物理學中的一些重要概念、規律等，無一不是建立在科學實驗基礎之上的。物理學實驗主要包括以下幾個環節：提出問題、做出猜想和假說、制定和實施實驗、收集和處理實驗數據、基于證據得出結論并做出解釋[ 2 ]。利用科學實驗進行情境教學時，教師可引導學生從探究問題、實驗步驟、證據和解釋等環節展開思考和討論，從而激發學生的探究動力，感悟科學現象的解釋性，體悟科學實證思想。

“安培力及其應用”一節的教學，創設實驗情境：探究安培力的方向。步驟一，介紹奧斯特實驗。步驟二，通過類比和邏輯推理，猜測磁場對電流有力的作用，然后通過分組實驗予以驗證。讓學生借助自制教具（見圖1）進行自主探究實驗活動，運用控制變量法，去探索安培力F與磁感應強度B、電流強度I、在磁場中的導線長度L的關系。步驟三，啟發學生思考問題：磁場對電流的作用力的大小、方向可能與哪些因素有關？有怎樣的關系？方向又是如何判定的？步驟四，引導學生抽象概念，得出左手定則。安培力是一個比較抽象的概念，教師通過創設實驗情境讓每個學生親自驗證“磁場對電流有力的作用”的猜想，推導出磁場力、電流、磁場三者之間大小、方向的關系，進而學會計算安培力的大小，理解左手定則。

用于創設教學情境的科學實驗可以是科學家所做的實驗，也可以是教師的演示實驗和學生的分組實驗等。科學實驗的過程和結果都有著豐富的內涵，往往作為創設情境的主要素材。一般情況下，在呈現研究成果之前，應先呈現科學研究過程，以引導學生基于證據合理地推導結論，并嘗試做出解釋。實驗情境具有真實性、實踐性、直觀性，學生可以從中領悟物理概念和物理規律的真實來源。因此，教師在教學中應積極創設科學實驗情境，以培養學生的探究能力和科學推理思維。

4 ?以生活實踐為載體，深化科學證據認知

生活實踐情境是指貼近學生日常生活的物理現象和問題，主要包括三個方面：大自然中的物理現象，如海市蜃樓、日夜更替、四季變化等；與生產生活相關的物理問題，如中醫的拔罐原理、冬天穿毛衣時的靜電現象；科技前沿，如手機5 G技術、天和空間站等[ 3 ]。以生活實踐創設教學情境，正是體現了生活處處有物理，物理處處有生活。這樣的情境會讓物理教學變得豐富而有趣，從而激發學生的學習內驅動力，自然而然地記住了生活實踐問題中的物理知識。同時，學生將物理知識用于解釋生活實踐問題，深化了對科學證據的認知能力。

在講授“光的折射”時，可以給學生展示人造彩虹、插入水中筷子彎折等現象，讓學生分析討論這些現象是怎么產生的？有人說“不經歷風雨怎能見彩虹”你認為有道理嗎？在講授“運動的合成與分解”時，可播放射箭的相關視頻，引導學生思考：要命中目標，站射與騎射這兩種方式哪種比較有難度？為什么？在講授“牛頓第二定律”時，以我國復興號高速動車為載體，創設物體受力情況的問題情境，引導學生求解物體運動情況，也可以人用力推靜止的柜子為例，引導學生思考：有時即使人用了很大的力去推柜子也無法推動它，這是否與牛頓第二定律存在矛盾呢？為什么？

物理教學的生活化才是教學的本真，教師在進行教學設計時應該思考：與本節教學內容相關聯的生活實踐情境有哪些？哪些情境是學生日常生活中接觸過的現象或碰到過的問題？進而將情境與物理知識進行有機融合，將學生置身于所創設的教學情境中。生活實踐情境的運用主要在于體現學以致用的思想，引導學生運用已學知識去解釋具體問題。因此，教師應避免過度關注情境趣味性而應重視情境背后蘊含的物理知識和原理。

綜上所述，以物理學史、模型建構、科學實驗、生活實踐等為載體創設多元化的物理教學情境，能夠多維度地發展學生的科學思維。在教學實踐中，教師可以根據具體的教學目標和教學內容采用一種或多種不同的物理情境，結合多媒體技術，設計開放性的問題，引導學生通過分析解決具體問題，從而更好地發展學生的科學思維素養。

參考文獻：

［1］ 楊君，付鸝娟.物理模型建構能力的考查理念和思路——以高考物理北京卷建模題為例[J].中國考試，2019（5）：45-49.

［2］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017）[S].北京：人民教育出版社，2017：2-5.

［3］ 程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑[J].中國考試，2019（5）：38-44.